专利名称：新型风力发电一体机及基于其的边坡检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电一体机，尤其适合于为高速公路边坡检测节点供电的新型风力发电一体机。
背景技术：
随着无线传感器网络和物联网的发展，分布式节点的供电问题成为一个难题。目前使用较多的是电池，但电池的电量有限，电池寿命成为节点寿命的瓶颈；同时节点携带的化学电池引起的二次污染势必成为环境的重大威胁。因此，利用实现可再生能源为分布式节点供电成为一个重要的研究课题。本发明重点关注可再生能源中的风能为分布式节点供电。对一些以较高速度运行的物体，如飞鸟和汽车等，可利用依附其上风力发电装置为用于科学研究或跟踪侦查的分布式节点提供稳定的风源。本发明设想的一种情况是监测高速公路边的山体滑坡。山区高速公路面临着山体滑坡的危险。在高速公路边安装小型风力发电装置，当高速行车通过带动较高速运动的气流，推动风力发电装置工作，为边坡监测节点供电进行山体滑坡检测。传统风力发电装置通常由风扇、变速器和发电机组成。例如发明专利 200680021096. 3，由风扇带动转轴转动，并通过行星齿轮变速后用发电机发电。再如发明专利200680016461. 1把垂直轴风扇安装在3个环状结构上，风扇旋转时环旋转并带动交流发电机发电。传统的风力发电机其用途一般是提供电力，甚至可并网发电，而其体积一般也较大。而在无线传感器节点和分布式小系统中一般功耗较小，也要求供电系统的体积较小，故传统风力发电机不适宜直接移植到为无线传感器网络和分布式小系统供电。为实现风力发电装置的小型化可以考虑将风扇和发电机合为一体，成为风力发电一体机。发明专利201010118580. 6或者实用新型专利201020125^6. 3设计了一种具有带线圈扇叶的风力发电一体机；发明专利201010119356. 9或者实用新型专利 201020125302. 9设计了一种软磁体扇叶风力发电一体机；发明专利201010119339. 5或者实用新型专利201020125290. X设计了一种永磁体扇叶风力发电一体机；发明专利 201010119337. 6或者实用新型专利201020125288. 2设计了一种风力发电一体机。但上述风力发电一体机加工制作较为困难。第一，所有上述风力发电一体机均有塑料外壳，需专门开模制造。第二，除永磁体扇叶风力发电一体机外，其他风力发电一体机需在扇盖和扇座上安装永磁体，结构不紧凑。第三，永磁体扇叶风力发电一体机要求用永磁材料制作风扇， 加工成型工艺困难，成型后充磁困难。第四，发明专利201010119356. 9或者实用新型专利 201020125302.9的软磁体扇叶风力发电一体机有导磁构件，结构不紧凑。第五，发明专利 201010118580. 6或者实用新型专利201020125286. 3中的带线圈扇叶的风力发电一体机， 叶片结构过于复杂，永磁体制作较难。第六，发明专利201010119337. 6或者实用新型专利 201020125288. 2中的风力发电一体机，永磁体成型困难，安装要求高。综上所述，需要设计一种尺寸小、结构紧凑、便于制作的风力发电一体机，并应用于利用行车气流进行高速公路边坡监测系统。

发明内容
本发明要提供一种尺寸小、结构紧凑、便于制作的新型风力发电一体机，并利用行车气流为布置高速公路边的新型风力发电一体机提供较强风力并发电，为高速公路边坡检测系统供电，防止山体滑坡对高速公路行车造成严重灾难。新型风力发电一体机，其特征在于包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖和扇座四角之间均安装有方柱体，所述方柱体是永磁体材料，其靠近扇盖端是N极，其靠近扇座端是S极；所述方柱体外套设有非磁性材料的护套；所述扇盖、扇座和垂直轴风扇的扇叶均是软磁体材料；所述扇盖和扇座的内侧各开有数个凹槽，所述凹槽内设有线圈；所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘；所述扇盖、扇座分别与扇叶上缘、扇叶下缘之间有气隙，所述方柱体上的N 极端、扇盖、扇盖与扇叶上缘之间的气隙、扇叶、扇叶下缘与扇座之间的气隙、扇座、方柱体上的S极端再回到方柱体上的N极端可形成数个闭合主磁路。进一步，所述方柱体通过螺母和螺栓固定在扇盖和扇座之间。基于上述发明的边坡检测系统，其特征在于包括将高速公路行车气流形成的风能转换成电能的新型风力发电一体机，所述新型风力发电一体机的输出端与电压转换存储电路连接，所述电压转换存储电路用于将交流电转换成直流电并存储电能；所述电压转换存储电路的输出端与信息物理网络节点连接并为其提供供电电源；所述信息物理网络节点包括传感器检测电路和单芯片微处理器，所述传感器检测电路用于采集高速公路两旁的滑坡情况，所述单芯片微处理器用于将采集到的信息发送给控制台。进一步，所述电压转换存储电路包括依次连接的整流滤波电路、降压稳压电路、电池充电电路。本发明所述的新型风力发电一体机当风扇旋转时主磁通是不变的，但是线圈中的磁通量随着风扇的旋转而不断改变。当扇叶转动到线圈的面积与扇叶下缘或扇叶上缘的面积重合时，线圈中的磁通量达到最大。根据楞次定律，在该线圈磁通量变大的过程中，其产生逆时针交流电；在该线圈磁通量变小的过程中，产生顺时针交流电。很显然，每个线圈中会产生交流电压。假设垂直轴风扇有6片扇叶，扇盖和扇座上均设有6个线圈，当垂直轴风扇转动时，6片扇叶周而复始的扫过每个扇盖、扇座上的线圈，如果线圈以适当的方式连接， 那么产生的交流电压将是单个线圈的12倍。基于本发明所述的新型风力发电一体机的边坡检测系统，其原理是将汽车高速行驶形成的风能通过新型风力发电一体机将风能转换成电能，再通过整流滤波电路将其转换成直流电压，并起到稳压的作用。再通过一个电池充电电路对锂电池进行充电，使之成为该检测系统的供电电源。系统通过光纤光栅、倾斜等传感器采集高速公路两旁的滑坡情况，并通过单芯片微处理器的发送模块将信号发送给控制台。控制台再把它通过文字显示在高速公路的显示屏上以提醒后面的车辆。本发明中采用了垂直轴风扇，垂直轴风扇能够利用各个方向的风能，同时使得该装置的安装位置、方向和精度上比较自由。风力发电装置产生的电动势不宜过低，否则不能为发电机后面的电路提供足够的能源；而从发电机的原理看，单就发电装置来说为产生较高电动势希望发电装置有较大尺寸或转子的旋转速度较高。转子旋转速度高要求自然风速较高或运动物体速度较快，均非发电装置本身可以干预的因素；但风扇和发电装置的一体化使发电装置尺寸相对地达到其可以达到的最大程度，从而提高所产生的电动势。综上所述，本发明的有益效果有1.将风扇和发电装置一体化，结构简单紧凑，无曲线曲面，充分考虑制作简单，体积小；2.较大程度实现构件复用，易于制作的永磁方柱体同时作为结构支柱，扇盖、扇座和扇叶由软磁材料制作，既有结构功能，又有导磁功能；3.风扇和发电装置一体化后，其尺寸效应，有利于提高发电装置效能；4.装置中可形成带小气隙的闭合主磁路，主磁路总磁通变化量大，能量转换率尚；5.本发明一方面利用可再生能源，可以节约能源；另一方面可大量减少使用电池，保护环境。


图1为本发明的主视剖视图。图2为本发明的俯视半剖图。图3为本发明扇叶的横剖视图。图4为基于本发明的边坡检测系统框图。图5为基于本发明的边坡检测系统的电路示意图。图6是本发明方柱体的退磁曲线示意图。
具体实施例方式实施例一参照图1-3，新型风力发电一体机，包括一垂直轴风扇6，所述垂直轴风扇6的轴5 设置在上部的扇盖3和下部的扇座1之间，所述扇盖3和扇座1四角之间均安装有方柱体 2，所述方柱体2是永磁体材料，其靠近扇盖3端是N极，其靠近扇座1端是S极；所述方柱体2外套设有非磁性材料的护套9 ；所述扇盖3、扇座1和垂直轴风扇6的扇叶8均是软磁体材料；所述扇盖3和扇座1的内侧各开有数个凹槽，所述凹槽内设有线圈7 ；所述垂直轴风扇7的扇叶8的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘；所述扇盖3、扇座1分别与扇叶上缘、扇叶下缘之间有气隙，所述方柱体2上的N极端、扇盖3、扇盖3与扇叶上缘之间的气隙、扇叶8、扇叶下缘与扇座1之间的气隙、扇座1、方柱体2上的S极端再回到方柱体2上的N极端可形成数个闭合主磁路。所述方柱体2通过螺母和螺栓4固定在扇盖3和扇座1之间。本发明所述的新型风力发电一体机当风扇旋转时主磁通是不变的，但是线圈7中的磁通量随着风扇的旋转而不断改变。当扇叶8转动到线圈7的面积与扇叶下缘或扇叶上缘的面积重合时，线圈7中的磁通量达到最大。根据楞次定律，在该线圈7磁通量变大的过程中，其产生逆时针交流电；在该线圈7磁通量变小的过程中，产生顺时针交流电。很显然， 每个线圈7中会产生交流电压。假设垂直轴风扇6有6片扇叶，扇盖3和扇座1上均设有6个线圈7，当垂直轴风扇6转动时，6片扇叶8周而复始的扫过每个扇盖3、扇座1上的线圈7，如果线圈7以适当的方式连接，那么产生的交流电压将是单个线圈7的12倍。本发明中采用了垂直轴风扇，垂直轴风扇能够利用各个方向的风能，同时使得该装置的安装位置、方向和精度上比较自由。风力发电装置产生的电动势不宜过低，否则不能为发电机后面的电路提供足够的能源；而从发电机的原理看，单就发电装置来说为产生较高电动势希望发电装置有较大尺寸或转子的旋转速度较高。转子旋转速度高要求自然风速较高或运动物体速度较快，均非发电装置本身可以干预的因素；但风扇和发电装置的一体化使发电装置尺寸相对地达到其可以达到的最大程度，从而提高所产生的电动势。实施例二参照图4，基于新型风力发电一体机的边坡检测系统，包括将高速公路行车气流形成的风能转换成电能的新型风力发电一体机10，所述新型风力发电一体机10的输出端与电压转换存储电路11连接，所述电压转换存储电路11用于将交流电转换成直流电并存储电能；所述电压转换存储电路11的输出端与信息物理网络节点12连接并为其提供供电电源；所述信息物理网络节点12包括传感器检测电路121和单芯片微处理器122，所述传感器检测电路121用于采集高速公路两旁的滑坡情况，所述单芯片微处理器122用于将采集到的信息发送给控制台。所述电压转换存储电路11包括依次连接的整流滤波电路111、降压稳压电路112、 电池充电电路113。基于本发明所述的新型风力发电一体机的边坡检测系统，其原理是将汽车高速行驶形成的风能通过新型风力发电一体机10将风能转换成电能，再通过整流滤波电路111将其转换成直流电压，并起到稳压的作用。再通过一个电池充电电路113对锂电池进行充电， 使之成为该检测系统的供电电源。系统通过光纤光栅、倾斜等传感器采集高速公路两旁的滑坡情况，并通过单芯片微处理器122的发送模块将信号发送给控制台。控制台再把它通过文字显示在高速公路的显示屏上以提醒后面的车辆。参照图5，整流滤波电路由4个整流二级管D1、D2、D3、D4组成全桥整流器，电感Ll 和滤波电容Cl、C2组成，它将新型风力发电机产生的交流电变成直流电并滤除噪声。该整流滤波集成电感低纹波电压的优点和也有电容载荷高的优点。从图5可以看出在电源的正半周期，变压器Tl次级上端为正，下端为负，整流二极管Dl和D4导通，电流由变压器Tl次级上端经过D1、D4、C1和C2回到变压器Tl次级下端； 在电源负半周时，Tl次级下端为正，上端为负，整流二极管D2和D3导通，电流由变压器Tl 次级下端经过Dl、D4、Cl和C2回到变压器Tl次级上端。稳压电路由线性稳压器MAX5091，电阻R1、R2和旁路电容C3、C4、C5组成。MAX5091 输入电压范围为5V 28V，典型输出电压为5V，旁路电容C5是10 μ F的陶瓷电容。该芯片设计了防掉电功能，当Vsi电压低于基准电压Vst时，SI管脚会被拉低以保护芯片。在电路板地平面焊接了大焊点以最大程度增大散热。锂电池组充电电路由锂电池线性充电管理芯片BQ2057，电阻R5、R6、R7、R8、R9，发光二极管D5，PNP晶体管Ql和锂电池组组成。BQ2057电流探测管脚SNS通过检测外置电阻R5的电压计算得到电池的电流。电压检测管脚BAT直接接到电池的正极。温度检测管脚TS通过R8，R9分压后禁止了电池温度检测功能。通过发光二极管D5我们可以知道充电的三种状态充电完成，温度故障和睡眠模式。充电控制管脚CC可以跟踪源输出端口，驱动外置晶体管Ql调节电流电压。晶振Xl和X2可以为单芯片系统CC430提供时钟周期。当它处于接受模式时，RF_ P和RF_N两个引脚可以用来接受无线信号，而当它处于发送模式时，个引脚可以用来发送无线信号，它的发射频段是300MHz :348MHz，389MHz 464MHz和779MHz 928MHz ο传感器Sl包括倾斜传感器和光纤光栅传感器，它可以有效检测到山体滑坡及其大小，及时有效地为控制中心提供相应信息，使得灾难损害降低到最小。具体应用例方柱体采用了价格更加价格低廉的铁氧体永磁材料TO5。图6是永磁材料Y35退磁曲线示意图。如图6，选取~ = 0.31T作平行于H轴的水平线交永磁材料Y35退磁曲线与 D点，用Hd表示D的横坐标，用Hd表示D的纵坐标。Hd表示点D的磁场强度，Hd = 81. 84kA/ m表示点D的磁通密度。通过观察图4，很容易从退磁曲线得到Hd = 81. 84kA/m和~ = 0.31T。根据在主磁路中磁动势守恒和磁通量守恒，得到以下方程
权利要求
1.新型风力发电一体机，其特征在于包括一垂直轴风扇，所述垂直轴风扇的轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖和扇座四角之间均安装有方柱体，所述方柱体是永磁体材料，其靠近扇盖端是N极，其靠近扇座端是S极；所述方柱体外套设有非磁性材料的护套；所述扇盖、扇座和垂直轴风扇的扇叶均是软磁体材料；所述扇盖和扇座的内侧各开有数个凹槽，所述凹槽内设有线圈；所述垂直轴风扇的扇叶的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘；所述扇盖、扇座分别与扇叶上缘、扇叶下缘之间有气隙，所述方柱体上的N 极端、扇盖、扇盖与扇叶上缘之间的气隙、扇叶、扇叶下缘与扇座之间的气隙、扇座、方柱体上的S极端再回到方柱体上的N极端可形成数个闭合主磁路。
2.根据权利要求1所述的新型风力发电一体机，其特征在于所述方柱体通过螺母和螺栓固定在扇盖和扇座之间。
3.基于权利要求1所述的新型风力发电一体机的边坡检测系统，其特征在于包括将高速公路行车气流形成的风能转换成电能的新型风力发电一体机，所述新型风力发电一体机的输出端与电压转换存储电路连接，所述电压转换存储电路用于将交流电转换成直流电并存储电能；所述电压转换存储电路的输出端与信息物理网络节点连接并为其提供供电电源；所述信息物理网络节点包括传感器检测电路和单芯片微处理器，所述传感器检测电路用于采集高速公路两旁的滑坡情况，所述单芯片微处理器用于将采集到的信息发送给控制台。
4.根据权利要求3所述的边坡检测系统，其特征在于所述电压转换存储电路包括依次连接的整流滤波电路、降压稳压电路、电池充电电路。
全文摘要
新型风力发电一体机，包括一垂直轴风扇，其轴设置在上部的扇盖和下部的扇座之间，所述扇盖和扇座四角之间均安装有永磁材料方柱体，其靠近扇盖端是N极，其靠近扇座端是S极；所述扇盖、扇座和垂直轴风扇均是软磁体材料；所述扇盖和扇座的内侧各开数个嵌有线圈的凹槽；所述扇叶的上、下两端分别设有扇叶上缘、扇叶下缘；所述扇盖、扇座分别与扇叶上缘、扇叶下缘之间有气隙，所述方柱体上的N极端、扇盖、扇盖与扇叶上缘之间的气隙、扇叶、扇叶下缘与扇座之间的气隙、扇座、方柱体上的S极端再回到方柱体上的N极端可形成闭合主磁路。该风力发电一体机可布置于高速公路边，利用行车气流提供的风力发电，对高速公路两侧山体滑坡情况进行监测。
文档编号G01V1/00GK102162430SQ201110080178
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者何熊熊, 张端, 林晨宽 申请人:浙江工业大学